引入

解 时,令 就把根号消掉了。这一步到底改变了什么?

为什么同一个点,在直角坐标系里是 ,在极坐标系里是 ?哪个才是它”真正”的坐标?

平移、旋转、缩放,这三种操作能否用同一个式子表达?

正文

定义

坐标变换是建立两个坐标系之间的对应关系,把一个坐标系中的坐标换算为另一个坐标系中的坐标。在代数中,它表现为换元:用新变量替换旧变量。

换元的本质

设 ,其中 单调可导且 ,则 建立了 与 之间的一一对应。原来的表达式 变成 。

层面变化
变量 换成
定义域由 的范围换算出 的范围
微分
表达式 变为

关键在第三行:换元不只是替换字母,还要替换微分。漏掉 是换元积分最常见的错误。

换元的三种动机

动机例子效果
消去根号把无理式变成有理式
降次把四次式变成二次式
化为标准形利用三角恒等式化简

“化为标准形”是最高效的动机:一旦化成已知形式,就能直接套公式,不必重新推导。

平面坐标系的变换

平移

把原点从 移到 :

平移只改变原点位置,不改变坐标轴方向。它的作用是把图形的中心移到原点,从而消去一次项。

旋转

把坐标轴绕原点旋转角 :

旋转不改变长度和角度,所以它保持圆仍是圆,但会把椭圆”摆正”或”摆斜”。

伸缩

伸缩改变长度比例。圆 经伸缩 、 后变成椭圆 。

这说明椭圆就是圆的伸缩像,这也是椭圆面积公式 的来源:圆面积 乘以伸缩比例 。

极坐标与直角坐标

曲线直角坐标极坐标
圆
过原点的直线
心形线复杂
阿基米德螺线无法表示

极坐标的价值:具有旋转对称性的曲线,在极坐标下方程极简。直角坐标适合平移对称,极坐标适合旋转对称。

换元在积分中的应用

定积分换元时,上下限也要跟着换:

其中 、。

变换下的不变量

变换保持不变的量
平移长度、角度、面积
旋转长度、角度、面积
伸缩角度、形状(相似)
仿射平行性、面积比
一般换元无(除了一一对应性)

“不变量”是判断变换类型的关键:如果某个量在变换后不变,说明变换属于对应的类型。这个思想在向量与线性代数中会系统展开。

常见误区

错误说法问题
”换元只是换个字母”还要换微分和定义域
”定积分换元后不用改上下限”必须改,或回代后再代
”极坐标能表示所有曲线更简单”平移对称的曲线反而更复杂
”坐标变换改变了图形”图形不变,只是描述方式变了
”伸缩保持面积”面积按比例 变化

引出

为什么平移和旋转保持长度,而伸缩不保持?

换元法的合法性为什么要求 单调且导数不为零?

线性代数中的基变换与坐标变换是同一件事吗?